Essendo un materiale semiconduttore ad ampio-bandgap di terza generazione, il carburo di silicio (SiC) svolge un ruolo fondamentale nei dispositivi ad alta-temperatura, alta-frequenza e alta-potenza. Il metodo del trasporto fisico del vapore (PVT) è la tecnica dominante per la coltivazione di cristalli singoli SiC di alta-qualità. Tuttavia, il suo ambiente chiuso ad alta-temperatura impone requisiti severi sulla resistenza alla corrosione e sull'uniformità del campo termico dei crogioli di grafite. I rivestimenti in carburo di tantalio (TaC), noti per il loro elevato punto di fusione, l'eccellente conduttività termica e l'eccezionale resistenza alla corrosione, sono diventati un materiale chiave per prolungare la durata del crogiolo e migliorare la qualità dei cristalli.
I crogioli di grafite sono soggetti a ossidazione e corrosione in ambienti ad alta-temperatura superiore a 2200 gradi, con conseguente durata di servizio breve. I sottoprodotti della corrosione-come CO₂ e SiO₂ possono contaminare i cristalli, formando inclusioni di carbonio o silicio che inducono difetti come microtubi e dislocazioni, degradando significativamente la qualità dei cristalli. Per affrontare questa sfida, i ricercatori hanno identificato il TaC come un materiale di rivestimento altamente promettente grazie al suo elevato punto di fusione (~3880 gradi), alla forte conduttività termica (22 W/m·K) e alla resistenza alla corrosione.
Prima del 2010, i rivestimenti TaC non erano ampiamente utilizzati nella crescita dei cristalli SiC a causa delle difficoltà nei processi di fabbricazione e delle fessurazioni causate dalla mancata corrispondenza dei coefficienti di dilatazione termica tra TaC e il substrato di grafite. Con un'intensa attività di ricerca sui metodi di preparazione del rivestimento-in particolare dopo il 2010-i ricercatori hanno depositato con successo rivestimenti TaC di alta-qualità su superfici di grafite utilizzando metodi di deposizione chimica in fase vapore (CVD) e di reazione con sali fusi. Dal 2020 i rivestimenti TaC sono entrati nell’applicazione industriale. Grazie alla loro capacità di sopprimere in modo significativo l'ossidazione della grafite nell'ambiente PVT, i rivestimenti TaC prolungano la durata del crogiolo fino a oltre tre volte quella dei crogioli in grafite non rivestiti. Gli esperimenti mostrano che dopo 500 ore di uso continuo a 2200 gradi, i crogioli di grafite rivestiti di TaC-mostrano solo cavità di corrosione su scala micron sulla superficie, mentre la grafite non rivestita è gravemente carbonizzata.
I metodi principali per preparare i rivestimenti TaC includono la reazione in-situ, la sinterizzazione dell'impasto liquido, la spruzzatura al plasma e la deposizione di vapori chimici.
Metodo di reazione in-situ: utilizza polvere di tantalio metallico e materiali di carbonio come materie prime; attraverso la reazione allo stato solido-, il tantalio e il carbonio si combinano direttamente sulla superficie del materiale di carbonio per formare un rivestimento TaC.
Metodo di sinterizzazione dell'impasto liquido: le polveri di rivestimento vengono miscelate uniformemente con solventi e additivi per formare un impasto liquido in sospensione stabile, che viene applicato uniformemente sulla superficie del substrato, essiccato e quindi sinterizzato ad alta temperatura per produrre un rivestimento TaC. Questo metodo produce rivestimenti TaC densi e-esenti da crepe con granulometrie di 10–50 μm e spessore del rivestimento di circa 100 μm. La crescita dei grani non presenta un orientamento preferenziale, evitando la formazione di fessure penetranti.
Metodo di spruzzatura al plasma: il materiale di rivestimento viene fuso ad alta temperatura, atomizzato in goccioline fini o particelle ad alta-temperatura mediante un getto ad alta-velocità e spruzzato sulla superficie di un substrato pretrattato per formare un rivestimento.
Deposizione chimica da fase vapore (CVD): il meccanismo principale prevede più passaggi fisico-chimici-pirolisi dei precursori, diffusione in fase gassosa-, reazioni interfacciali e deposizione superficiale-all'interno di una camera di reazione ad alta-temperatura, formando infine un rivestimento funzionale denso sulla superficie del substrato.